„Biokraftstoffe oder Nahrungsmittel - gibt es einen Konflikt?“

Hermann Pütter

Biomasse eine unerschöpfliche Ressource?

Die Natur erzeugt Jahr für Jahr gewaltige Mengen an Biomasse durch Photosynthese. Die Gesamtmenge wird auf 180 Milliarden Tonnen Trockenmasse geschätzt. Dies entspricht einem Energieinhalt von 3150 EJ (Exajoule = 1018 Joule). 120 Milliarden Tonnen entstehen an Land, 60 Milliarden Tonnen entstehen in den Meeren. Der heutige Energiebedarf der Menschheit liegt bei 500 EJ pro Jahr, also nur bei einem Sechstel des Angebots an Bioenergie. Heute spielt Energie aus Biomasse eine untergeordnete Rolle, mit etwa 50 EJ macht dies nicht einmal 2% des jährlichen Biomasseaufkommens aus. Addiert man zu dieser Menge den Bedarf für Nahrungsmittel und Werkstoffe (Holz, Textilien, etc.), so erhöht sich dieser Wert auf etwa 5%. Gibt es da Zweifel daran, dass wir uns hier problemlos weiter bedienen können?

Enge Grenzen

Heute schon werden 38% der globalen Landfläche einschließlich Wüsten für Weiden und Äcker beansprucht. Der restliche terrestrische Raum umfasst Ökosysteme unterschiedlichster Art und Vielfalt. Gerade die produktivsten Bereiche, die tropischen und subtropischen Wälder, stehen im Zentrum von Schutzbemühungen. Um ihre Biodiversität zu wahren, müssen weitere Eingriffe verhindert werden. Die Ozeane erzeugen zwar auch ein Drittel der Biomasse, die Ertragskraft ist aber nur hoch an ökologisch sehr empfindlichen Stellen, die heute schon stark bedroht sind. Beispielsweise hat sich der Zustand der Riffe, die zu den produktivsten Biotopen im Meer zählen, dramatisch verschlechtert. Zudem dient die Photosynthese des Phytoplaktons in den Meeren der marinen Nahrungskette, die durch anthropogene Eingriffe ohnehin schon überstrapaziert wird und vor weiteren unbedachten Eingriffen bewahrt werden sollte.
Der Mensch beansprucht erheblich mehr Biomasse, als er tatsächlich nutzt. So benötigen die 3,4 Milliarden Rinder, Schafe und Ziegen ein Vielfaches an Bioenergie in Form von Futter als sie liefern. Und auch das, was wir als Getreide verwerten, ist nur ein Bruchteil der Primärproduktion unserer Äcker. Schließlich wird ein großer Teil der Wälder intensiv bewirtschaftet oder erleidet illegalen Abbau.
Eine Fülle von weiteren biologischen, ökologischen, ökonomischen, sozialen und ethischen Gründen lässt das zusätzliche Potenzial der Biomassenutzung deutlich zusammenschmelzen. Sind Biokraftstoffe dann nicht die Versuchung, die uns endgültig aus unserem Paradies vertreibt (Abbildung 1)?

Abbildung 1: Biomasse. Die Beanspruchung durch uns Menschen geht weit über das hinaus, was wir vom Markt heimbringen. Wir stoßen schon heute an die Grenzen unseres Planeten.

Wachsende Nutzungskonkurrenz

Heute treten die unterschiedlichen Nutzungsmöglichkeiten für Biomasse in heftigen Wettbewerb, wobei die Konkurrenz zwischen Nahrungsmitteln und Kraftstoffen die spektakulärste ist. Man muss sich ins Gedächtnis rufen, dass mit den modernen Biokraftstoffen eine uralte Verfahrensweise ihre Renaissance erfährt. Vor dem fossilen Zeitalter war Biomasse schon einmal der Kraftstoff für unsere Pferdestärken. Allerdings war damals der Anspruch an die Leistung und Reichweite der Transportmittel gering. Seither hat sich die Zahl der Menschen vervierfacht und ihr Anspruch an Transport und Mobilität ist geradezu explodiert. Auf den ersten Blick erscheint der Vergleich mit der Vergangenheit deshalb absurd. Genauer betrachtet führt er aber zur Kernfrage einer nachhaltigen Chemie: Können wir Biomasse so elegant und effizient nutzen, dass wir den Druck auf die Biosphäre durch den Menschen nicht erhöhen sondern senken? Diese Frage ist brisant, denn die Nutzungskonkurrenz ist ja nicht auf Kraftstoffe und Nahrung begrenzt. Biomasse soll auch bei der Wärme- und Stromerzeugung fossile Energieträger ersetzen und als Rohstoff die Petrochemie substituieren (siehe Aktuelle Wochenschau 2008, Woche 8, 14). Wenn diese Strategien nicht Schall und Rauch sein sollen, muss die Effizienz der Biomassenutzung revolutioniert werden.
Die Gewinnung von "modernen" Bioenergien, Kraftstoff, Strom und Biogas, zeigt die Herausforderung (Abbildung 2). Um eine Einheit "Bioenergie" zu gewinnen, müssen etwa vier Energieeinheiten wachsen. Diese grobe Faustregel ist kein Naturgesetz sondern beschreibt die technologische Herausforderung.

Abbildung 2: Biomasse zu Bioenergie. Erträge und Wirkungsgrade zeigen die technologischen und ökologischen Herausforderungen für eine effiziente Biomassenutzung in der Zu-kunft.

Die Ernährung der wachsenden Menschheit

Die UN schätzt, dass die Menschheit von 2005 bis 2015 um 800 Millionen auf dann etwa x Milliarden zunimmt. Eine aktuelle Schätzung der Welternährungsorganisation befasst sich mit der Veränderung der Agrarproduktion für den Zeitraum bis 2016. Einige Trends sind in Abbildung 3 dargestellt. Die Bedeutung der (reichen) OECD-Länder für die Versorgung der Welt mit Getreide wächst. Die Entwicklungsländer unternehmen erhöhte Anstrengung in die Produktion von Ölen (für Biokraftstoffe) und höherwertigen Nahrungsmitteln. Die Fleischproduktion verschärft den landwirtschaftlichen Energiebedarf, da pro tierische Energieeinheit rund 7 pflanzliche Energieeinheiten benötigt werden. Dies führt zu weiterem Bedarf an Weide- und Ackerfläche. Veränderte Eßgewohnheiten könnten den Hunger in der Welt verstärken.
Insgesamt hält die Erhöhung der Getreideproduktion mit dem Wachstum der Weltbevölkerung Schritt. Dies gilt, wenn nicht größere Mengen in Biokraftstoffe umgeleitet werden. Aber schon heute gehen 6% des Getreideaufkommens in Bioethanol.

Abbildung 3: Trends in der Nahrungsmittelproduktion 2007-2016. Die OECD-Staaten werden zur Getreidekammer der Welt. Die Entwicklungsländer bauen höherwertige Agrarprodukte aus.

Warum Biokraftstoffe?

Der Auslöser, sich mit Biokraftstoffen zu beschäftigen, war nach den Ölkrisen des vergangenen Jahrhunderts das Bestreben, unabhängig vom politischen Druck der OPEC zu sein. Man wollte aus Biomassen verschiedenster Herkunft Kraftstoffe gewinnen, um damit Benzin und Diesel aus Rohölquellen zu ersetzen oder zu ergänzen.
Mittlerweile haben sich zwei andere Zielrichtungen ergeben: Klimaschutz und Schonung der endlichen fossilen Ressourcen. Aus nachwachsenden Rohstoffen, die aus dem CO2 der Atmosphäre durch Photosynthese entstanden sind, sollen Kraftstoffe erzeugt werden, deren Verbrennung im Fahrzeug nur so viel CO2 emittiert, wie die Natur vorher gebunden hat.

Was sind Biokraftstoffe?

Die beiden wichtigsten Biokraftstoffe heute sind Ethanol und Biodiesel. Brasilien hat nach den Ölkrisen eine effiziente Technologie aufgebaut, mit der aus Zuckerrohr Ethanol für den Verkehr gewonnen wird. In Deutschland wird seit über einem Jahrzehnt Biodiesel technisch hergestellt: Rapsöl wird in Rapsölmethylester umgewandelt.
Mittlerweile haben andere Länder in großem Umfang nachgezogen. So werden in den USA aus Mais und Weizen ähnlich große Mengen Ethanol erzeugt wie in Brasilien aus Zuckerrohr. Außerdem gewinnen die USA aus Raps (Canola) und Soja große Mengen Biodiesel. Palmöl aus Malaysia und Indonesien wird in steigenden Mengen zu Biodiesel verarbeitet..
Die bisherigen Prozesse sind jedoch in vieler Hinsicht unbefriedigend. Deshalb gibt es weltweit Forschungsanstrengungen, diese noch junge Technik auf Effizienz zu trimmen. Enzymatische Verfahren beispielsweise zielen darauf ab, eine optimale Ethanolausbeute aus allen Kohlehydratbausteinen der Pflanzen zu erzielen, aus Stärke, Cellulose, Hemicellulose. Bei Biodiesel wird mit alternativen Ölpflanzen, wie Jatropha, experimentiert. Besonders in Deutschland geht man noch einen prinzipiell anderen Weg: Man versucht, jede Form von Biomasse zu verwerten, indem die Biomasse bei hohen Temperaturen vergast wird und diese Gase in einer anschließenden Reaktion katalytisch in Kraftstoffe umgewandelt werden. Hierbei entstehen sogenannte BtL-Kraftstoffe: Biomass to Liquid (siehe Aktuelle Wochenschau 2008, Woche 12). Das Verfahrensprinzip des zweiten Schritts wurde im ersten Drittel des vergangenen Jahrhunderts in Deutschland ausgearbeitet, die Fischer-Tropsch (FT)-Synthese. Ziel war es damals, aus Kohle Kraftstoffe zu erzeugen. Oft werden die Kraftstoffe aus den neuen Verfahren als Biokraftstoffe der 2. Generation bezeichnet. Abbildung 4 zeigt die wichtigsten Routen.

Abbildung 4: Wichtige Biokraftstoffrouten. Regional und technologisch gibt es unterschiedliche Edukte, Synthesewege und Kraftstoffe.

Kritik an Biokraftstoffen

Das Konzept der Biokraftstoffe zeigt deutliche Schwächen. Zunächst ist Biomasse keine Primärenergie im Sinne von Rohöl (Abbildung 2). Anbau, Transport, Lagerung, Konditionierung (z.B. Trocknung) benötigen einen erheblichen Einsatz von Energie schon vor der eigentlichen Kraftstoffsynthese. Die heutigen Verfahren nutzen zudem nur einen Teil der Pflanze und sind energetisch verlustreich. Auch BtL-Kraftstoffe, die die gesamte Erntemasse nutzen wollen, stoßen an eine stoffliche Grenze: Biomasse ist arm an Wasserstoff. Ein großer Teil an Biomasse muss deshalb als CO2 ausgeschleust werden. Die Stöchiometrie des Problems ist in Abbildung 5 dargestellt. Ein Ausweg wäre, Wasserstoff aus anderen Quellen für die FT-Synthese bereitzustellen. Damit wird das Problem aber nur verlagert.
Die Kritik geht über diese technischen Aspekte hinaus. Der Flächenbedarf stößt an Grenzen. Obwohl das heutige Biokraftstoffaufkommen noch unbedeutend ist, treten schon Schwierigkeiten auf. So müssen tropische und subtropische Wälder weichen, um Platz für Soja-, Zuckerrohr- und Palmölplantagen zu machen. Ein zweiter Engpass: Der Wasserbedarf erhöht den ohnehin schon hohen Wasserverbrauch der Landwirtschaft. Energiefarmen mit hohem Einsatz an Dünger und Pflanzenschutzmitteln können das Grundwasser belasten. Auch die Klimaneutralität erweist sich als Fata Morgana: Die Treibhausgasemissionen der Erzeugungsketten sind keinesfalls zu vernachlässigen. Schließlich bedrängen Biokraftstoffe die Nahrungsmittelproduktion. Auf all dies weisen aktuelle Studien hin.

Abbildung 5: Biomass-to-Liquid-Kraftstoffe. Biomasse ist wasserstoffarm. Zusätzlicher Wasserstoff kann die Kohlenstoffausbeute und die Energiebilanz deutlich verbessern.

Auswirkungen auf die Nahrungsmittelproduktion?

Die Preiserhöhungen auf den Weltmärkten bei Weizen, Mais und Soja wird dem Ausbau der Biokraftstoffe angelastet. 800 Millionen Autofahrer nehmen den 800 Millionen Hungernden nun noch die letzten Kalorien. Die Umwandlung von Bauernhöfen in Energiefarmen habe zu dieser dramatischen Entwicklung geführt. Der Präsident der Weltbank weist darauf hin, dass man Gefahren für soziale Unruhen in 33 Ländern sieht, wenn die Preisentwicklung anhält. Von einem stillen Tsunami ist die Rede.
Biokraftstoffe zum alleinigen Schuldigen für diese Verwerfungen zu machen, wäre falsch. Die Entwicklung wurde auch durch weitere Trends verursacht und aktuell durch Ernteausfälle, niedrige Lagerbestände und Spekulationen verschärft. Veränderte Essgewohnheiten in den Schwellenländern, die Vernachlässigung der agrarischen Infrastrukturen, verfehlte Agrarpolitik, Bürgerkriege, Wüstenbildung und der Verlust an Ackerfläche durch Urbanisierung sind nur einige dieser Gründe.
Wie bei Erdöl und anderen Rohstoffen sprechen viele Anzeichen dafür, dass die Zeiten niedriger Preise zu Ende gehen. Da die Landwirtschaft nicht nur Rohstoffe erzeugt sondern auch in Form von Energie, Düngemitteln und Geräten bezieht, werden Nahrungsmittel diesem Trend folgen.
Damit wird erneut die Bedeutung einer nachhaltigen Chemie deutlich: Der sparsame Umgang mit allen stofflichen Ressourcen wird zur zentralen wirtschaftlichen, sozialen und ökologischen Herausforderung. Aus diesem Blickwinkel erscheint die Wechselwirkung zwischen Biokraftstoffen und Nahrungsmitteln in einem anderen Licht. Denn es gibt auch Synergien.
Beispielsweise werden Abfälle aus der Biokraftstoffproduktion als Futtermittel verwertet. Umgekehrt ist es möglich, landwirtschaftliche Abfälle, wie Gülle und Stroh, oder Abfälle aus dem Nahrungsmittelbereich, wie Abfallfette, als Vorstufen für Kraftstoffe einzusetzen.
Eine weitere Synergie besteht darin, genügsame Pflanzen, die den Wasserhaushalt und die Qualität von stark degradierten Böden stabilisieren oder gar verbessern können, im Fruchtwechsel oder unterstützend zum Anbau von Nahrungsmitteln einzusetzen. In Indien oder Madagaskar wird dazu beispielsweise mit der schon genannten Jatrophapflanze experimentiert, einer strauchartigen Wildpflanze, deren Früchte bis zu 40% Öl enthalten. Sie gedeiht auch auf kargen Böden, benötigt wenig Wasser und kann das lokale Mikroklima günstig beeinflussen, was dem übrigen Anbau hilft.
Ein weiterer positiver Aspekt sei erwähnt: Europa und die USA werden ihre Subventionsstrategie ändern. An Stelle von Agrarexporten werden Biokraftstoffe gefördert. So können die Bauern in Entwicklungs- und Schwellenländern ihre lokalen Märkte zurückgewinnen, die sie an die hoch subventionierten Landwirtschaften der USA und der EU verloren haben. Dieser Politikwechsel ist auch für die Chemie bedeutsam: Der Zwang zu besseren Verfahren wächst mit den Erwartungen an die Produktion.

Situation in Deutschland

In Deutschland wurden im Jahre 2006 2,5 Mio Tonnen Biodiesel, 0,5 Mio t Bioethanol und 1 Mio t Pflanzenöle als Kraftstoffe eingesetzt. Der Anteil am deutschen Kraftstoffeinsatz belief sich auf 6,3% und sollte ursprünglich in den kommenden Jahren deutlich gesteigert werden. Technische Probleme bei Bioethanol haben aber zu einem Innehalten geführt.
Während in der Vergangenheit ein großer Teil des Biokraftstoffbedarfs aus heimischer Produktion gedeckt wurde, muss schon heute auf Importe zurückgegriffen werden. Der Energiepflanzenanbau benötigte in Deutschland nach Statistiken der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, FNR, 2 Mio ha Fläche. Dies entspricht 11% der landwirtschaftlichen Fläche Deutschlands. Der Anteil für Biokraftstoffe lag mit 1,4 Mio ha bei 7%. Legt man die Flächenerträge für Biodiesel, Pflanzenöl und Bioethanol aus den Angaben der FNR zugrunde, kann auf dieser Fläche mit heutiger Technologie die Hälfte unserer Biokraftstoffe gewonnen werden. Optimistische Szenarien gehen davon aus, dass die Fläche für Energiepflanzen in Deutschland verdoppelt werden kann. Damit würde ein Fünftel unserer Agrarfläche für Energiepflanzen und davon der größte Teil für Biokraftstoffe eingesetzt werden. Ob dies unter den neuen Randbedingungen auf den Weltagrarmärkten noch realistisch ist, bleibt abzuwarten.

Beiträge der Chemie

Um die Konkurrenz zwischen Nahrungsmitteln und Biokraftstoffen umweltschonend und ökonomisch zu entschärfen, sind Beiträge aus der Chemie in drei Bereichen unerlässlich:

  1. Für die Landwirtschaft sind die Entwicklung ertragreicher und genügsamer Pflanzen, der Schutz der Böden vor Erosion und Versalzung, ein innovatives Wassermanagement, der schonende Anbau und die verlustarme Ernte der Biomasse essentiell. Keines dieser Ziele wird ohne Dienstleistungen aus der Chemie erreicht.
  2. Die zukünftigen Verfahren zur Erzeugung von Biokraftstoffen stützen sich auf Biochemie, Verfahrenschemie, organische Chemie, Katalyse und Analytik. Die Vision einer Bioraffinerie geht über die Erzeugung von Biokraftstoffen hinaus, die vielfältig nutzbaren Nebenprodukte bieten sich teilweise als Ergänzung für Nahrungs- und Futtermittel an.
  3. Sehr aussichtsreich ist ein indirekter Beitrag der Chemie, den sie zusammen mit Material- und Ingenieurswissenschaften leisten wird: die Entwicklung von Hybrid-, Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeugen. Die steigende Effizienz unserer Fahrzeugflotte wird den Kraftstoffverbrauch senken. Der Ausbau der Biokraftstoffe wird gedämpft. Die Konkurrenz zur Nahrungsmittelversorgung entspannt sich.

Zukünftige Entwicklungen

Trotz der aktuellen Ernüchterung bestehen Zweifel, ob die Entwicklung der Biokraftstoffe stagnieren wird. Dank staatlicher Förderprogramme geht der Ausbau weltweit wohl zügig voran. Dies gilt nicht nur für Biokraftstoffe sondern auch für alle anderen Bioenergieformen. Die Umwandlung von landwirtschaftlicher Fläche und von Wald in Energieplantagen setzt sich deshalb fort. Gutgemeinte Nachhaltigkeitsprogramme zeigen nun auch Schattenseiten. Die Konkurrenz zwischen den Grundbedürfnissen der wachsenden Menschheit und den noch schneller wachsenden Ansprüchen an steigenden Wohlstand ist in vollem Gange. All das erhöht den Druck auf die Umwelt. Die politischen Ausbaustrategien ignorieren teilweise die erheblichen ökologischen Bedenken aus der Wissenschaft. Ein Ausgleich kann zwar durch deutlich effizientere Technologien geschaffen werden. Aber Technologien sind nur Werkzeuge. Ihre vielfältigen Wechselwirkungen mit der Gesellschaft und der Natur machen sie selbst zu einem zentralen Nachhaltigkeitsthema. Dies gilt auch für die Nachhaltige Chemie. Das Zukunftsprojekt Biomassenutzung ist deshalb für das Rollenbewusstsein der Chemiker ein lehrreiches Feld.


Kontakt

Dr. Hermann Pütter
Haardter Str. 1a
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E-Mail: puetter-neustadt@t-online.de

Literaturhinweise

[1] K. Heinloth, Die Energiefrage, Viehweg Verlag, Bonn 2003, 339
[2] FAO: Food and Agriculture Statistics Global Outlook (June 2006)
[3] UN: World Population Prospects: The 2006 Revision Database
[4] N. Dahmen, E. Dinjus, E. Henrich, Synthesekraftstoffe aus Biomasse, Erneuerbare Energie (Hrgs.: T. Bührke, R. Wengenmayr), Wiley-VCH-Verlag, Weinheim 2007, S 59-63
[5] M. Kaltschmitt, H. Hartmann (Hrgs.): Energie aus Biomasse, Kap 12 -14, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2001, S. 537-640
[6] EMPA (Schweizerische Bundesämter für Energie, Umwelt und Landwirtschaft; www.empa.ch/tsl ) Ökobilanz von Bioprodukten: Ökologische Bewertung von Biotreibstoffen, Bern 22.05.05
[7] Wissenschaftlicher Beirat Agrarpolitik beim Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (Link): Nutzung von Biomasse zur Energiegewinnung, Kap. 4.4, S 112-148
[8] FNR, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (www.fnr.de) , Daten und Fakten zu nachwachsenden Rohstoffen, 1. Auflage 2007